Prese d aria supersoniche [1-14]

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1 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria Industriale Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale Insegnamento di Propulsione Aerospaziale Anno accademico 2011/12 Capitolo 4 sezione a2 Prese d aria supersoniche [1-14]

2 Introduzione alle prese d aria supersoniche Anche nei velivoli supersonici il flusso che abbandona la presa d aria deve essere subsonico. In condizioni di volo supersonico sono necessariamente implicate onde d urto, che sono processi irreversibili che dissipano energia, e quindi un fondamentale obiettivo di progetto diventa quello di rendere minimo l incremento di entropia del processo. La presa deve inoltre avere una bassa resistenza aerodinamica esterna e deve operare, stabilmente ed efficientemente, in un ampio intervallo di angoli di incidenza. Le configurazioni più classiche di prese d aria supersoniche sono le seguenti: - Presa supersonica di Pitot (presa ad onda d urto normale); - Presa supersonica a spina (presa ad onda d urto conica); - Presa supersonica convergente-divergente. Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 01

3 Presa supersonica di Pitot (a onda d urto normale) Il punto di progetto si ha quando l onda d urto normale è posizionata alla sezione di ingresso della presa. L onda d urto fornisce quindi un flusso subsonico alla presa a compressione interna (subsonica); per numeri di Mach (M>1) piuttosto bassi la perdita di pressione totale è contenuta (figura a). Se il motore richiede una portata d aria inferiore rispetto al valore di progetto, l eccesso d aria viene spillato. Per rendere possibile lo spillamento d aria, l onda d urto normale si stacca e si forma un onda d urto curva a monte della presa. Lo spillamento incrementa significativamente la resistenza esterna (figura b). Viceversa se il motore richiede una portata d aria superiore (diminuisce cioè la pressione alla sezione di scarico della presa), l onda d urto normale viene ingoiata dalla presa e si formano onde d urto oblique come illustrato nella figura c. Per numeri di Mach superiori a 1.4 questa presa diventa improponibile per eccessive perdite. Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 02

4 Presa supersonica a spina (ad onda d urto conica) In questa presa un corpo centrale, la spina conica, è inserita all interno della presa d aria. La forte diminuzione di pressione totale attraverso un onda d urto normale può essere ridotta decelerando il flusso attraverso una o più onde oblique (o coniche), seguite da un onda d urto normale che risulta di minore intensità poiché il flusso a monte è più lento, essendo stato rallentato dall onda obliqua (o conica). Il flusso supersonico che impatta sulla spina conica dà luogo alla formazione di un onda d urto conica. L aria, compressa dall onda d urto conica, entra nella presa subsonica a compressione interna attraverso la sezione anulare compresa tra la superficie della spina centrale e la carenatura della presa. In condizioni di progetto l onda d urto normale è posizionata all ingresso della presa come indicato in figura. Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 03

5 Presa supersonica a spina (ad onda d urto conica) La configurazione illustrata nella pagina precedente viene definita presa a compressione esterna, poiché tutta la diffusione supersonica ha luogo all esterno della carenatura. La spina conica impone una deviazione al flusso d aria supersonico, rispetto alla direzione iniziale del flusso, generando l onda d urto conica. Si osservi che l onda d urto normale è perpendicolare alla direzione del flusso che è stato deviato dall onda conica e non alla direzione della corrente libera. La compressione supersonica si realizza all esterno, prima che l aria entri nella presa subsonica; la sezione anulare di ingresso del flusso d aria nella presa è molto più piccola della sezione A 0 della corrente libera, significando che la compressione realizzata dall onda d urto conica è piuttosto intensa. La posizione dell onda d urto normale rispetto alla sezione di ingresso è fondamentale nel funzionamento della presa. Tale posizione dipende dal numero di Mach di volo, dal rapporto aria/combustibile, dal rendimento di combustione, dall area della sezione di efflusso dell ugello. Si distinguono tre modalità di funzionamento: (figura alla pagina seguente) - funzionamento in condizioni critiche: onda d urto normale posizionata alla sezione di ingresso della presa. - funzionamento in condizioni supercritiche: onda d urto normale catturata dalla presa, all interno della presa stessa. - funzionamento in condizioni subcritiche: onda d urto normale spostata a monte verso il vertice della spina conica. Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 04

6 Presa supersonica a spina (ad onda d urto conica) La schematizzazione delle tre diverse condizioni di funzionamento è rappresentata nella figura seguente: Si osservi che in condizioni supercritiche il funzionamento della presa è complicato dall insorgenza di onde d urto oblique, generate dalla deviazione del flusso supersonico all ingresso della presa. L onda d urto normale è in genere più intensa e quindi lo scadimento di rendimento della presa si accentua. Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 05

7 Presa supersonica a onde d urto oblique (a compressione esterna) L utilizzo delle onde d urto oblique presenta il vantaggio (rispetto al solo utilizzo di un onda d urto normale) di avere minori perdite di pressione totale (le onde d urto oblique sono meno intense di quelle normali). La stessa compressione effettuata tramite un unico urto normale o con n urti obliqui seguiti da un urto normale (in quest ultimo caso tutti gli urti sono di eguale intensità) comporta un rendimento d tanto più alto quanto più alto è il numero di urti obliqui (n). Al limite d 1 quando n ; in questo caso ideale la compressione risulterebbe essere isoentropica. Si osserva che la lunghezza della presa e l angolo di rotazione del flusso, ovvero pesi e ingombri crescono al crescere di n, per cui è necessario scendere a un compromesso tra l efficienza della presa dinamica e le sue dimensioni. Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 06

8 Presa supersonica a spina (a onda d urto obliqua) Poiché la sola compressione esterna può condurre a elevate rotazioni del flusso con conseguente incremento della resistenza aerodinamica, si può utilizzare una presa a compressione mista. In questo caso parte della compressione supersonica avviene all interno di un condotto convergente divergente con numeri di Mach iniziali non troppo elevati (problema di avviamento della parte interna). Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 07

9 Presa supersonica convergente-divergente (1/7) Sembrerebbe ovvio che invertendo il flusso in un ugello convergente-divergente, si possa ottenere una compressione isoentropica. Purtroppo è praticamente impossibile realizzare tale compressione senza onde d urto, a causa dell avversa interazione tra il flusso principale e lo strato limite, in virtù del gradiente di pressione positivo. Fondamentale, e critico, è il problema dell avviamento di questa presa, descritto nella sequenza di figure che seguono. Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 08

10 Presa supersonica convergente-divergente (2/7) Le lettere corrispondono a quelle delle figure alla pagina precedente Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 09

11 Presa supersonica convergente-divergente (3/7) Fig. (a) : M 0 <1; per bassa velocità subsonica il flusso è interamente subsonico. Fig. (b) : M 0 <1; all aumentare di M 0 si verifica una condizione per cui M 0 <1 e M t =1. Il campo di flusso davanti alla presa non è più influenzato dalle condizioni a valle della gola e dipende solo da M 0 e dal rapporto delle aree della presa A 1 /A t. Fig. (c) : M 0 =1; l area di cattura A 0 uguaglia l area di gola A t. Se A 1 /A t è molto grande si verifica un forte spillamento di aria a cui si associa una grande resistenza. Fig. (d) : M 0 >1; si genera un onda d urto curva a monte della presa. Questa situazione si caratterizza per una resistenza di spillamento e una resistenza d urto. Fig. (e) : M 0 >1; all aumentare del numero di Mach l onda d urto si posiziona sulla sezione di ingresso della presa. Fig. (f) : M 0 >1; un piccolo incremento del numero di Mach fa entrare l onda d urto nel convergente. Questa è una situazione instabile cosicchè l onda d urto oltrepassa la gola e si posiziona nel divergente. Se la pressione a valle aumenta, l onda d urto si sposta verso la gola e l intensità diminuisce. Fig. (g) : M 0 >1; la posizione dell onda d urto in gola è instabile, quindi in condizioni di progetto si fa in modo che l onda sia leggermente a valle della gola. Fig. (h) : M 0 >1; invece di aumentare la pressione a valle per spingere l onda d urto verso la gola, è possibile diminuire M 0, diminuendo il Mach in gola. Quando M 0 è abbassato al valore corrispondente al flusso isoentropico bloccato nella presa, M t è pari ad 1. Regolando opportunamente la pressione a valle, il flusso nel divergente è subsonico e l intero flusso nella presa è isoentropico. Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 10

12 Presa supersonica convergente-divergente (4/7) Fissato M 0 si determina il Mach subsonico a valle dell onda e quindi si determina il rapporto delle aree richiesto per accelerare quel flusso subsonico a M=1. La figura a fianco illustra il rapporto delle aree A t /A 1 in funzione di M 0 ; nella regione sotto la curva l onda d urto si trova davanti alla presa, staccata dalla sezione di ingresso. Nella regione sopra la curva l onda d urto è ingoiata. Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 11

13 Presa supersonica convergente-divergente (5/7) La figura illustra il rapporto delle aree per flusso isoentropico e M t =1. Nella regione sotto la curva l area di gola è troppo piccola per smaltire la portata catturata. Nella regione sopra la curva il flusso nel convergente è supersonico e si forma un onda d urto nel divergente. La posizione dell onda d urto dipende dalla pressione a valle imposta dal funzionamento del motore. Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 12

14 Presa supersonica convergente-divergente (6/7) I due grafici precedenti sono riuniti nel grafico sottostante. Durante l avviamento della presa solo la curva superiore ha significato fisico. La linea ab indica il comportamento della presa all aumentare di M 0. Al punto b l onda d urto è ingoiata e la curva inferiore assume significato fisico. Se M 0 viene diminuito, il punto operativo si sposta da b verso c; tra b e c l onda d urto è ingoiata (è nel divergente); in c è in gola, ove M t =1 e quindi è di intensità infinitesima. Se dunque la presa ha un rapporto delle aree A 1 /A t =0.7, ed è progettata per funzionare a M 0 =1.8, per avviare la presa bisognerebbe accelerare fino a M 0 =3.2. Questa è una situazione totalmente irrealistica! Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 13

15 Presa supersonica convergente-divergente (7/7) Una possibilità per eliminare il problema della sovravelocità è di ricorrere ad una geometria variabile. Con riferimento al diagramma della pagina precedente, si consideri una presa progettata per operare a M 0 =3.2. Se il rapporto delle aree della presa a geometria variabile A t /A 1 è modificato in modo che il valore uguagli quello del punto b, la presa si avvierà a M 0 =3.2. Una forte onda d urto si posizionerà nel divergente. A questo punto, se l area della gola viene ridotta, il punto di funzionamento della presa si sposta verticalmente da b verso d. Quando A t /A 1 =0.2 la presa opera nel punto d ed il flusso è isoentropico all interno della presa. Se il rapporto delle aree fosse quello del punto e, la presa si avvierebbe a M 0 più basso. All aumentare della velocità di volo l area della gola verrebbe simultaneamente ridotta e la curva operativa di funzionamento della presa sarebbe la curva ed. Realizzare la geometria variabile per una configurazione assialsimmetrica è un operazione meccanicamente molto difficile. L operazione è relativamente facile per prese bidimensionali. Corso di Propulsione Aerospaziale a.a. 2011/2012 Cap. 4 sez. a2 / 14